Name: in situ surface temperature measurement in a conveyor belt furnace via inline infrared thermography
Uploaded: 2020-05-30T13:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about In Situ Surface Temperature Measurement in a Conveyor Belt Furnace via Inline Infrared Thermography at JoVE.com

Detta arbete stöds av det tyska federala näringsministeriet inom projektet "Feuerdrache" (0324205B). Författarna tackar de medarbetare som bidragit till detta arbete och projektpartnerna (InfraTec, Rehm Thermal Systems, Heraeus Noblelight, Trumpf Photonic Components) för samfinansiering och tillhandahållande av enastående stöd.

1. Installation av IR-kamera i en transportbandsugn
<ol><li>Bestäm vilken del av ugnen som ska mätas med IR-kameran. OBS: Här väljs skjutprocessens toppzon (se den orange markerade zonen i avfyrningsområdet i figur 1A).</li>
	<li>Definiera det temperaturområde av intresse som IR-kameran ska upptäcka (t.ex. 700−900 °C, det typiska topptemperaturområdet för bränningsprocessen).</li>
	<li>Bestäm, eller åtminstone uppskatta (genom experiment eller litteratur)...

<ol>
	<li>Xu, J., Zhang, J., Kuang, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Conveyor Belt Furnace Thermal Processing. , (2018).</li><li>Breitenstein, O., Warta, M. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Langenkamp Lock-in Thermography: Basics and Use for Evaluating Electronic Devices and Materials. , (2010).</li><li>Ravindra, N. M., Ravindra, K., Mahendra, S., Sopori, B., Fiory, A. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Modeling+and+Simulation+of+Emissivity+of+Silicon-Related+Materials+and+Structures.">Modeling and Simulation of Emissivity of Silicon-Related Materials and Structures.</a> Journal of Electronic Materials. 32 (10), 1052-1058 (2003).</li><li>Ourinson, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=In+Situ+Solar+Wafer+Temperature+Measurement+during+Firing+Process+via+Inline+IR+Thermography.">In Situ Solar Wafer Temperature Measurement during Firing Process via Inline IR Thermography.</a> Physica Status Solidi (RRL) - Rapid Research Letters. 13 (10), 1900270 (2019).</li><li>Ourinson, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=In-situ+wafer+temperature+measurement+during+firing+process+via+inline+infrared+thermography.">In-situ wafer temperature measurement during firing process via inline infrared thermography.</a> AIP Conference Proceedings. 2156, 020013 (2019).</li><li>Cooper, I. B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Understanding+and+Use+of+IR+Belt+Furnace+for+Rapid+Thermal+Firing+of+Screen-Printed+Contacts+to+Si+Solar+Cells.">Understanding and Use of IR Belt Furnace for Rapid Thermal Firing of Screen-Printed Contacts to Si Solar Cells.</a> IEEE Electron Device Letters. 31 (5), 461-463 (2010).</li><li>Schubert, G., Huster, F., Fath, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Physical+understanding+of+printed+thick-film+front+contacts+of+crystalline+Si+solar+cells-Review+of+existing+models+and+recent+developments.">Physical understanding of printed thick-film front contacts of crystalline Si solar cells-Review of existing models and recent developments.</a> Solar Energy Materials and Solar Cells. 90 (18-19), 3399-3406 (2006).</li><li>Rauer, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Aluminum+Alloying+in+Local+Contact+Areas+on+Dielectrically+Passivated+Rear+Surfaces+of+Silicon+Solar+Cells.">Aluminum Alloying in Local Contact Areas on Dielectrically Passivated Rear Surfaces of Silicon Solar Cells.</a> IEEE Electron Device Letters. 32 (7), 916-918 (2011).</li><li>Pawlik, M., Vilcot, J. -. P., Halbwax, M., Gauthier, M., Le Quang, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Impact+of+the+firing+step+on+Al+2+O+3+passivation+on+p-type+Czochralski+Si+wafers:+Electrical+and+chemical+approaches.">Impact of the firing step on Al 2 O 3 passivation on p-type Czochralski Si wafers: Electrical and chemical approaches.</a> Japanese Journal of Applied Physics. 54 (8), 21 (2015).</li><li>Lee, B. J., Zhang, Z. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=RAD-PRO:+Effective+Software+for+Modeling+Radiative+Properties+in+Rapid+Thermal+Processing.">RAD-PRO: Effective Software for Modeling Radiative Properties in Rapid Thermal Processing.</a> 2005 13th International Conference on Advanced Thermal Processing of Semiconductors. , (2005).</li><li>. Temperature Measurements Available from: <a target="_blank" href="https://meettechniek.info/measuring/temperature.html">https://meettechniek.info/measuring/temperature.html</a> (2020)</li><li>Blakers, A. W., Wang, A., Milne, A. M., Zhao, J., Green, M. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=22.8%+efficient+silicon+solar+cell.">22.8% efficient silicon solar cell.</a> Applied Physics Letters. 55 (13), 1363-1365 (1989).</li><li>Dullweber, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=PERC+:+industrial+PERC+solar+cells+with+rear+Al+grid+enabling+bifaciality+and+reduced+Al+paste+consumption.">PERC+: industrial PERC solar cells with rear Al grid enabling bifaciality and reduced Al paste consumption.</a> Progress in Photovoltaics: Research and Applications. 24 (12), 1487-1498 (2016).</li><li>Ourinson, D., Emanuel, G., Lorenz, A., Clement, F., Glunz, S. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Evaluation+of+the+burnout+phase+of+the+contact+firing+process+for+industrial+PERC.">Evaluation of the burnout phase of the contact firing process for industrial PERC.</a> AIP Conference Proceedings. 2147 (1), 040015 (2019).</li></ol>

Vanligen korrigeras termografitemperaturen via mätning och anpassning av objektets optiska parametrar, transmissiva fönster och väg samt objektets och transmissivt fönsterstemperatur 2. Som alternativ metod beskrivs en teknik för temperaturkorrigering baserad på termoelementmätningar i detta protokoll. För den senare metoden krävs inte kunskap om de parametrar som nämns ovan. För den applikation som visas här är denna metod tillräcklig. Det kan dock inte garanteras att termoelementme...

Processkontroll och kvalitetssäkring av föremål som bearbetas i transportbandsugnar1 är viktigt och åstadkoms genom att mäta objektets yttemperatur. För närvarande mäts temperaturen typiskt med ett termoelement1. Eftersom termoelementmätningar kräver kontakt med föremålet skadar termoelement ofrånkomligen föremålet. Därför är det vanligt att välja representativa prover av ett parti för temperaturmätningar, som inte bearbetas vidare sedan de skadas. De uppmätta temperaturerna hos dessa skadade föremål generaliseras sedan till de återstående proverna från partiet, som bearbetas vidare. Följaktligen måste produktionen avbrytas för termoelementmätningar. Vidare är kontakten lokal, behöver justeras efter varje mätning, och påverkar den lokala temperaturen.
Infraröd (IR) termografi2 har ett antal fördelar jämfört med klassiska termoelement mätningar och representerar en kontaktlös, in-situ, realtid, tidsbesparande, och rumsligt löst temperaturmätningsmetod. Med den här metoden kan varje prov av partiet, inklusive de som bearbetas vidare, mätas utan att produktionen avbryts. Dessutom kan yttemperaturfördelningen mätas, vilket ger insikt i temperatur homogenitet under processen. Realtidsfunktionen möjliggör korrigering av temperaturinställningar on-the-fly. Hittills är de möjliga skälen för att inte använda IR-termografi i transportbandugnar 1) okända optiska parametrar av heta objekt (särskilt för nonmetals3) och 2) parasitisk miljöstrålning i ugnen (dvs, reflekterad strålning som upptäcks av IR-kameran utöver den avgivna strålningen från objektet), vilket leder till falsk temperatureffekt2.
Här, som en representativ proof-of-concept exempel på IR-thermography i en transportband ugn, vi framgångsrikt installerat en inlinestemografi system i en IR-lampa drivs sol bränning ugn (Figur 1), som används under kontakt bränning processen av industriella Si solceller (Figur 2A,B)4,5. Bränningsprocessen är ett avgörande steg i slutet av industriell solcellsproduktion6. Under detta steg bildas cellens kontakter7,8, och yt passivering aktiveras9. För att lyckas uppnå det senare måste tid-temperaturprofilen under eldningen (Figur 2C) realiseras exakt. Därför krävs tillräcklig och effektiv temperaturreglering. Detta protokoll beskriver hur du installerar en IR-kamera i en transportbandsugn, genomför en kundkorrigering av en fabrikkalibrerad IR-kamera och utvärderar den rumsliga yttemperaturfördelningen för ett målobjekt.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" style="width:665px;" width="665">
	<colgroup>
		<col />
		<col />
		<col />
		<col />
	</colgroup>
	<tbody>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">Datalogger incl. Thermal barrier</td>
			<td style="width:121px;">Datapaq Ltd.</td>
			<td style="width:161px;"></td>
			<td style="width:167px;"></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">IR thermography camera &#34;Image IR 8300&#34;</td>
			<td style="width:121px;">InfraTec GmbH</td>
			<td style="width:161px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">IR thermography software &#34;IRBIS Professional 3.1&#34;</td>
			<td style="width:121px;">InfraTec GmbH</td>
			<td style="width:161px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Solar cells</td>
			<td style="width:121px;">Fraunhofer ISE</td>
			<td style="width:161px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">Solar firing furnace &#34;RFS 250 Plus&#34;</td>
			<td style="width:121px;">Rehm Thermal Systems GmbH</td>
			<td style="width:161px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Sheath thermocouples type K</td>
			<td style="width:121px;">TMH GmbH</td>
			<td style="width:161px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">Thermocouple quartzframe</td>
			<td style="width:121px;">Heraeus Noblelight GmbH</td>
			<td style="width:161px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

in situ surface temperature measurement in a conveyor belt furnace via inline infrared thermography

Att mäta yttemperaturen på föremål som bearbetas i transportbandsugnar är ett viktigt verktyg vid processkontroll och kvalitetssäkring. För närvarande mäts yttemperaturen på föremål som bearbetas i transportbandsugnar vanligtvis via termoelement. Infraröd (IR) termografi presenterar dock flera fördelar jämfört med termoelement mätningar, eftersom det är en kontaktlös, realtid, och rumsligt löst metod. Här, som en representativ proof-of-concept exempel, en inline thermography system är framgångsrikt installeras i en IR-lampa drivs sol bränning ugn, som används för kontakt bränning processen av industriella Si solceller. Detta protokoll beskriver hur du installerar en IR-kamera i en transportbandugn, genomför en kundkorrigering av en fabrikkalibrerad IR-kamera och utför utvärderingen av spatial yttemperaturfördelning på ett målobjekt.

Som framgår av figur 3B−D, exempelobjektet (här, en kiselsolcell; strängt taget, en passiverad emitter och bakre cell [PERC]12; Figur 2A,B) kan tydligt upptäckas av IR-kameran i olika konfigurationer4. De olika konfigurationerna är monofacialt metalliserade (Figur 3B), bifacially metalliserade13 (Figu...

Watch this Scientific Journal Video about In Situ Surface Temperature Measurement in a Conveyor Belt Furnace via Inline Infrared Thermography at JoVE.com

In Situ Surface Temperature Measurement in a Conveyor Belt Furnace via Inline Infrared Thermography

Detta protokoll beskriver hur man installerar en infraröd kamera i en transportband ugn, genomföra en kund korrigering av en fabrik kalibrerad IR-kamera, och utvärdera den rumsliga yttemperaturfördelningen av ett objekt av intresse. Exempelobjekten är industriella kiselsolceller.

I Situ yttemperaturmätning i en transportbandugn via Inline Infraröd termografi

Measuring the surface temperature of objects that are processed in conveyor belt furnaces is an important tool in process control and quality assurance. ...

Eftersom det är avgörande att mäta temperaturen på de föremål som bearbetas i inlineugnar, här presenterar vi inline termografi som ett lovande alternativ till klassiska temperaturmätningar av termoelement. Termoelement skadar objektet, mäter temperaturen lokalt, och kräver ett produktionsavbrott. Vår inline thermography kamera mäter dock objekttemperaturen i en kontaktlös, realtid, rumsligt löst sätt.Vi använder inline ugnar för kontakt bränning av kisel solceller. Därför installerade vi en thermography kamera inline i vår ugn för att undersöka dessa fördelar. Välj en kamera med ett detekteringsvåglängdsområde som matchar våglängdsområdet för det högsta utsläppet av föremålet av intresse i temperaturområdet av intresse så mycket som möjligt.För att installera kameran utanför ugnskammaren, ta bort ugnsväggen och isoleringen på den plats där den optiska banan ska placeras, och undvika störande föremål, såsom infraröda lampor, i den optiska banan. Stäng hålet med ett fönster som isolerar ugnskammaren termiskt samtidigt som det är så transparent som möjligt för detekteringsvåglängden för kameran. Placera sedan kameran ovanför fönstren så att kameran har ett visuellt på det rörliga bältet.Undvik så mycket parasitisk strålningsdetektering av kameran som möjligt genom att undvika närliggande föremål som avger eller reflekterar strålning i kamerans detektionsvåglängdsområde. Därefter, undersöka termografi bilden via IR-kamera programvara för att kontrollera den resulterande synfält av kameran. För en kund temperaturkorrigering för Silicon solceller, kontrollera först solcellen för lokala optiska artefakter.Eftersom temperaturkorrigeringen är baserad på termoelement, för att kontrollera termoelement giltigheten, montera termoelement på bakre aluminium sidan av rån, och mäta tidstemperaturen profil för en standard bränning process. Om tidstemperaturprofilen visar en störning i form av en plattare kurva vid aluminium kisel eutektic temperatur på 577 grader Celsius, termoelementet är troligen korrekt kalibrerad. Genomföra termoelementmätningar med det validerade termoelementet monterat på solcellens bakre sida, och spela in wafer med den infraröda kameran.Genomföra flera termoelementmätningar i temperaturområdet av intresse på samma objekt plats och på rumsligt olika slumpmässiga objekt fläckar för att erhålla statistiskt signifikanta profiler tid temperatur. För att bestämma den lokala okorrigerade termografi solcellstemperaturen under termoelementet, extrahera den lokala temperaturen vid termoelementets läge. Logga de uppmätta temperaturerna via termoelement mot de bestämda temperaturerna via okorrigerad infraröd termografi, och få en kurvpassning som en generell enhetlig global korrigeringsformel för den okorrigerade termografibilden.Använd sedan den här kurvan passar data för att korrigera den okorrigerade thermography bilden globalt. För att skapa en tvådimensionell topp temperaturfördelning karta, skriva ett skript i ett lämpligt programmeringsspråk för att spåra yttemperaturen för varje objekts yta plats längs hela kamerans synfält för att fungera som en virtuell termoelement placeras på alla wafer fläckar samtidigt. Sedan extrahera topptemperaturvärdet för varje plats, och rita dessa temperaturer i en motsvarande 2D-fördelningskarta.Om du vill utföra en medeltemperaturfördelning i genomströmningsriktningen, medelvärde för 2D-temperaturfördelningen i dimensionen vinkelrätt mot genomströmningsriktningen. Om du vill utföra en medeltemperaturfördelning vinkelrätt mot genomströmningsriktningen, medelvärde 2D temperaturfördelningen i dimensionen i genomströmningsriktningen. Som visats i denna figur, den korrigerade temperaturen i denna Silicon solcell kan tydligt detekteras av den infraröda kameran i olika konfigurationer.Monofacially metalized, bifacially metalized, och icke-metalized perk prover. I dessa analyser liknade temperaturområdet av intresse det typiska topptemperaturområdet för bränningsprocessen. Som observerats i denna bild, orsakar den kontaktande termoelement på den bakre sidan av solcellen en temperatursänkning runt sig själv, troligen på grund av värmeavledning och skuggning.Den senare droppen är viktig för att uppskatta celltemperaturen vid bränning utan termoelement, jämfört med den temperatur som uppmätts av termoelementet, som för denna cell placerad på en ram när den kontaktas av ett termoelement. Om den placeras direkt på bältet, tillåter den infraröda kameran observation av den lokala värmeavledning av cellerna av transportbandet. Denna bild visar en representativ tvådimensionell spatial solcell topptemperatur fördelning, och den härdade genomsnittliga fördelningen i och vinkelrätt mot transportriktningen.När vi använder inline ugnar för kontakt bränning av kisel solceller, installerade vi en infraröd kamera i vår ugn för att skapa en innovativ termografi ansökan. Erhålla rumsligt löst topp temperaturfördelningar under bränningsprocessen gör att undersökningen av temperaturfördelning korrelationer till de rumsligt lösta solcellsparametrar som väsentligt effekt av bränningen.

Research

JoVE Journal

Engineering

In-situ Tapering of Chalcogenide Fiber for Mid-infrared Supercontinuum Generation

In-situ Tapering of Chalcogenide Fiber for Mid-infrared Supercontinuum Generation

In situ nedtrappning av kalkogenid Fiber för Mid-IR Supercontinuum Generation

Supercontinuum  generation (SCG) in a tapered chalcogenide fiber is desirable for broadening mid-infrared  (or mid-IR, roughly the 2-20 &mu;m wavelength ...

Fabrication and Operation of a Nano-Optical Conveyor Belt

Tillverkning och drift av en Nano-optisk Transportband

The technique of using focused laser beams to trap and exert forces on small particles has enabled many pivotal discoveries in the nanoscale biological ...

Advanced Experimental Methods for Low-temperature Magnetotransport Measurement of Novel Materials

Avancerade Experimentella metoder för låg temperatur Magnetotransport Mätning av nya material

Novel electronic materials are often produced for the first time by synthesis processes that yield bulk crystals (in contrast to single crystal thin film ...

The Measurement of Unsteady Surface Pressure Using a Remote Microphone Probe

Mätningen av Ostadig yttryck med hjälp av en fjärrkontroll mikrofon Probe

Microphones are widely applied to measure pressure fluctuations at the walls of solid bodies immersed in turbulent flows. Turbulent motions with various ...

Optical Trap Loading of Dielectric Microparticles In Air

Optisk fälla Loading dielektriska mikropartiklar i luft

We demonstrate a method to trap a selected dielectric microparticle in air using radiation pressure from a single-beam gradient optical trap. Randomly ...

Recombination Dynamics in Thin-film Photovoltaic Materials via Time-resolved Microwave Conductivity

Rekombination Dynamics i Tunnfilms solceller material via tidsupplöst Microwave Konduktivitet

A method for investigating recombination dynamics of photo-induced charge carriers in thin film semiconductors, specifically in photovoltaic materials ...

High Temperature Fabrication of Nanostructured Yttria-Stabilized-Zirconia (YSZ) Scaffolds by In Situ Carbon Templating Xerogels

High Temperature Fabrication of Nanostructured Yttria-Stabilized-Zirconia YSZ Scaffolds by In Situ Carbon Templating Xerogels

High Temperature Fabrication av nanostrukturerade yttriumoxidstabiliserad-zirkonium (YSZ) Ställningar av<em&gt; In Situ</em&gt; Carbon schablon xerogeler

We demonstrate a method for the high temperature fabrication of porous, nanostructured yttria-stabilized-zirconia (YSZ, 8 mol% yttria - 92 mol% zirconia) ...

Preparation and High-temperature Anti-adhesion Behavior of a Slippery Surface on Stainless Steel

Förberedelse och hög temperatur anti vidhäftning beteende av en hal yta på rostfritt stål

Anti-adhesion surfaces with high-temperature resistance have a wide application potential in electrosurgical instruments, engines, and pipelines. A ...

Generation of Size-controlled Poly (ethylene Glycol) Diacrylate Droplets via Semi-3-Dimensional Flow Focusing Microfluidic Devices

Generation of Size-controlled Poly ethylene Glycol Diacrylate Droplets via Semi-3-Dimensional Flow Focusing Microfluidic Devices

Generation av storlek-kontrollerade Poly (etylenglykol) Diacrylate droppar via Semi-3-dimensionell Flow fokuserar mikroflödessystem enheter

Uniform and size-controllable poly (ethylene glycol) diacrylate (PEGDA) droplets could be produced via the flow focusing process in a microfluidic device. ...

Near-Infrared Temperature Measurement Technique for Water Surrounding an Induction-heated Small Magnetic Sphere

Nära-infraröd temperatur mätteknik för vatten som omger en induktion-uppvärmda små magnetiska sfär

A technique to measure the temperature of water and non-turbid aqueous media surrounding an induction-heated small magnetic sphere is presented. This ...